KR102208790B1 - 초전도 극저온 팽창기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초전도 극저온 팽창기에 관한 것으로서, 중심축을 회전축으로 하여 회전하는 로터부, 및 상기 로터부에 결합되고, 가스의 유로를 제공하는 가스 입구 및 가스 출구로 이루어지며, 상기 가스 입구로부터 유입된 가스가 냉각되는 가스 냉각부를 포함하며, 상기 로터부의 끝단에는 회전 날개가 형성되어 회전 시 가스를 팽창시키는 터빈이 장착되고, 상기 터빈에는 회전축을 일정한 위치에 고정시켜 회전 시 발생되는 진동을 저감시키는 초전도 베어링이 결합되어 있어, 극저온 냉동기의 부품인 극저온 팽창기의 하부 진동을 저감시키는 초전도 극저온 팽창기에 관한 것이다.

Description

초전도 극저온 팽창기{SUPERCONDUCTOR CRYOGENIC EXPANDER}

본 발명은 초전도 극저온 팽창기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터빈을 이용하여 고압의 가스를 팽창시킴으로써 가스를 냉각하는 극저온 냉동기의 부품인 극저온 팽창기의 하부 진동을 저감시키는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 극저온 환경은 고진공 관련 산업, 에너지 관련 산업, 의료 산업, 수송 관련 산업, 식품 관련 산업, 우주 항공 산업, 통신 산업 등 여러 분야에 필요하며, 이 분야에 대한 기술 발전이 이루어지면서 점차 그 활용 범위가 넓어지고 있는 추세이다.

극저온 냉동기는 이러한 극저온 환경을 달성하기 위한 장치이며, 통상적으로 냉동기 내부에 극저온 팽창기라는 별도의 장치를 포함하고 있다. 극저온 팽창기는 극저온 냉동기의 한 부품으로서 고압의 가스를 터빈을 이용하여 팽창시켜 가스를 냉각하는 장치이다.

도 1은 종래 일반적인 극저온 팽창기의 사시도인데, 도시된 바와 같이 극저온 팽창기(10)는 일반적으로 주축(110), 상기 주축(110)에 결합된 유체 베어링(130, 140), 상기 주축(110)의 일단에 결합된 단열축(120)을 포함하는 로터부(100)와, 상기 로터부(100)와 결합되어 로터부(100)의 회전에 따라 가스의 유로를 제공하는 가스 입구(210) 및 가스 출구(220)로 구성되며 가스 입구(210)로부터 유입된 가스가 냉각되는 가스 냉각부(200)를 포함한다.

도 2는 종래 극저온 팽창기의 구성 요소인 로터부의 사시도인데, 로터부(100)는 일반적으로 주축(110), 주축(110)의 양 끝단 각각에 결합된 상부 및 하부 유체 베어링(130, 140), 주축(110)의 일단에 결합된 단열축(120)과, 단열축(120)의 끝단에 장착된 터빈(150)을 포함하여 구성된다.

도시된 바와 같이, 로터부(100)는 주축(110)과 단열축(120)이 일직선상으로 결합되어 동일 회전축(R)을 공유하면서 회전하며, 주축(110)의 양 끝단 각각에 상부 유체 베어링(130) 및 하부 유체 베어링(140)이 결합되어 있어 회전축(R)을 고정 내지 지지하며, 단열축(120)의 끝단에 터빈(150)이 결합되어 가스 냉각부(200) 내에서 회전하면서 가스를 팽창시킨다.

도 3은 종래 극저온 팽창기의 가스 흐름을 나타낸 모식도이다.

로터부(100)의 단열축(120) 끝단에 장착된 터빈(150)에 의해 가스의 흐름이 제어되는데, 고압 가스가 가스 입구(210)로 유입되어 터빈(150)의 회전에 의해 부피가 팽창하면서 가스 출구(220)로 배출된다.

이러한 극저온 팽창기의 효율을 극대화하기 위해서는 로터부(100)의 임계 회전 속도를 증가시켜야 한다. 다만, 로터부(100)의 회전 속도가 증가되면, 로터부(100) 회전에 의해 발생되는 진동 또한 증가되는데, 종래 극저온 팽창기는 주축(110)에 결합된 2개의 유체 베어링 즉, 상부 유체 베어링(130)과 하부 유체 베어링(140)이 로터부(100)의 진동을 저감시킨다.

그러나, 가스의 흐름을 제어하는 터빈(150)은 두 유체 베어링 사이에 위치하는 것이 아니라, 하부 유체 베어링(140)보다 아래인 가스 냉각부(200) 내에 위치하는 단열축(120)의 끝단에 장착되므로, 2개의 유체 베어링(130, 140)에 의한 진동 저감 효과가 크게 미치지 않는 문제가 있다.

게다가, 터빈(150)과 주축(110)을 연결하는 단열축(120)은 단열 성능을 높이기 위해 통상적으로 주축(110)보다 지름이 작기 때문에, 터빈(150)의 회전축(R) 한쪽만이 상기 유체 베어링(130, 140)에 의해 지지되고, 하부 유체 베어링(140)의 아래 부분에 해당되며 터빈(150)이 체결되는 단열축(120) 끝단은 진동에 매우 취약한 문제가 있다.

이와 관련하여, 한국등록특허 제0663003호에서는 냉동기의 저온부와 열교환기 사이에 개재된 완충 수단을 이용한 진동 저감 장치를 개시하고 있으나, 이미 발생된 진동을 흡수하는 구성을 더 추가시킨 것일 뿐, 진동 발생 자체를 저감시키는 것이 아니기에 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

또한, 이러한 극저온 팽창기의 진동을 저감시키기 위해 터빈(150) 끝단에 유체식 또는 기계식 베어링을 설치하려는 시도가 있었으나, 가스 냉각부(200)의 극저온 환경, 유로 막힘, 열 침입 등의 많은 제약이 있었다.

본 발명의 목적은, 극저온 환경에 해당되는 가스 냉각부의 내부에서 회전하는 터빈에 초전도 베어링을 적용함으로써, 초전도 베어링을 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치나 냉각가스 유로 없이 냉각기의 효율을 극대화시키고, 로터부의 하부 진동을 저감시켜 로터부의 임계 속도를 높여 극저온 냉각기의 효율을 향상시킨 초전도 극저온 팽창기를 제공하고자 함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초전도 극저온 팽창기는, 중심축을 회전축으로 하여 회전하는 로터부, 및 상기 로터부에 결합되고, 가스의 유로를 제공하는 가스 입구 및 가스 출구로 이루어지며, 상기 가스 입구로부터 유입된 가스가 냉각되는 가스 냉각부를 포함하며, 상기 로터부의 끝단에는 회전 날개가 형성되어 회전 시 가스를 팽창시키는 터빈이 장착되고, 상기 터빈에는 회전축을 일정한 위치에 고정시켜 회전 시 발생되는 진동을 저감시키는 초전도 베어링이 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 로터부는 주축, 및 상기 주축의 일단에 결합되며 열 전달을 차단하는 단열축을 포함하며, 상기 단열축의 끝단에 터빈이 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 초전도 베어링은, 상기 터빈과 결합되어 상기 로터부의 회전축을 중심으로 회전하는 초전도 베어링 회전체, 및 상기 가스 냉각부의 가스 출구 내주면에 고정되어 회전축을 지지하는 초전도 베어링 고정체를 포함하여 이루어지는 무접촉식 초전도 베어링인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 상기 초전도 베어링 회전체는 영구자석을 포함하거나 전자석 코일이 권선되어 형성되고, 상기 초전도 베어링 고정체는 초전도체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 초전도 베어링 회전체는 초전도체를 포함하고, 상기 초전도 베어링 고정체는 영구자석을 포함하거나 전자석 코일이 권선되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 터빈은 중앙에 관통홀이 형성되어 있으며, 상기 단열축 및 상기 초전도 베어링 회전체가 상기 관통홀에 삽입되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 상기 단열축과 상기 초전도 베어링 회전체는 상기 관통홀 내에서 이격되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 터빈에 초전도 베어링이 적용됨에 따라 진동에 취약한 로터부 하단 진동을 저감할 수 있다.

또한, 로터부의 진동이 저감됨에 따라 로터부 승속 시 발생되는 냉각기 파손을 방지할 수 있고, 로터부의 회전 임계속도를 높여 극저온 팽창기의 전체 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 터빈에 의해 팽창된 가스가 초전도 베어링을 냉각시킴에 따라, 초전도 베어링을 냉각시키기 위한 별도의 냉각 장치가 요구되지 않으며, 일반적인 자기 베어링과 달리 능동 제어가 필요 없어 이에 따른 전력 소모가 없으며 구성이 간단한 장점이 있다.

도 1은 종래 일반적인 극저온 팽창기의 사시도이다.
도 2는 종래 극저온 팽창기의 구성 요소인 로터부의 사시도이다.
도 3은 종래 극저온 팽창기의 가스 흐름을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 극저온 팽창기의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 극저온 팽창기의 부분 단면도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 극저온 팽창기의 개념도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 초전도 극저온 팽창기(20)는 크게 로터부(100)와, 상기 로터부(100)에 결합된 가스 냉각부(200)를 포함하는 구조를 가진다.

상기 로터부(100)는 중심축을 회전축(R)으로 하여 회전하면서 유입된 가스를 팽창시킨다. 로터부(100)의 형상은 회전에 적합하도록 회전축(R)을 중심으로 일정 반경을 가지는 봉 형상으로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 로터부(100)의 끝단에는 회전 날개가 형성되어 회전 시 가스를 팽창시키는 터빈(150)이 장착된다.

상기 가스 냉각부(200)는 상기 로터부(100)에 결합되고, 가스의 유로를 제공하는 가스 입구(210) 및 가스 출구(220)를 포함하며, 가스 입구(210)로부터 유입된 가스가 냉각되는 공간을 제공한다. 이러한 가스 냉각부(200)의 형상은 특별히 제한되지 않으나, 가스의 유로를 제공하기에 적합한 관 형상을 가지는 것이 바람직하다.

상기 터빈(150)은 로터부(100)의 끝단에 장착되어 로터부(100)의 회전축(R)을 중심으로 로터부(100)와 함께 회전한다. 터빈(150)의 형상에는 특별한 제한은 없으나, 회전 시 가스를 팽창시키기에 적합하도록 회전 날개가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 로터부(100)는 주축(110)과, 상기 주축(110)의 일단에 결합되며 열 전달을 차단하는 단열축(120)을 포함하며, 상기 단열축(120)의 끝단에 상기 터빈(150)이 장착되어 있는 것이 바람직하다.

상기 터빈(150)은 가스 냉각부(200) 내부에 위치하며, 가스 냉각부(200)의 극저온은 상기 단열축(120)에 의해 주축(110)으로 전달되는 것이 차단된다.

본 발명에 따른 터빈(150)은 상기 로터부(100)의 회전축(R)을 일정한 위치에 고정시켜 회전 시 발생되는 진동을 저감시키는 초전도 베어링(300)이 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

종래에는 터빈(150)의 회전 속도가 증가하는 경우 로터부(100) 주축(110)의 양 끝단 외주면에 위치하며 회전축(R)을 지지하는 상부 유체 베어링(130) 및 하부 유체 베어링(140)에 의해 로터부(100) 자체의 회전축(R)이 흔들림으로써 발생되는 진동을 감소시켰으나, 로터부(100)의 끝단에 장착되는 터빈(150)의 경우 가스 냉각부(200)에 위치하기 때문에 진동을 저감시키는 것에는 한계가 있었다.

게다가, 일반적으로 단열축(120)의 직경이 주축(110)의 직경보다 작기에 로터부(100)의 하단부는 진동에 더욱 취약한 문제가 있었다.

따라서, 로터부(100)의 끝단에 장착된 터빈(150)의 진동을 저감시키지 못하여, 로터부(100) 회전이 승속하는 경우 로터부(100)는 미세하게 세차운동을 하게 되어 로터부(100)의 회전 임계 속도를 증가시키기가 어려운 문제가 있었다.

이러한 문제를 해소하기 위해 터빈(150)의 끝단에 유체식 혹은 기계식 베어링을 적용하는 방안도 고려해볼 수 있으나, 터빈(150) 자체가 극저온 환경인 가스 냉각부(200)에 위치하므로 온도, 유로 막힘, 열 침입 등의 문제가 발생되어 이를 적용하는 것이 어려웠다.

그러나, 본 발명에 따른 초전도 극저온 팽창기(20)는 터빈(150)에 초전도 베어링(300)을 결합시킴으로써 위와 같은 문제들을 해소할 수 있다. 초전도 베어링(300)은 초전도 현상을 이용한 베어링으로서 작동 원리에 대해서는 널리 알려져 있으며, 본 발명에 따른 초전도 베어링(300)은 극저온 환경인 가스 냉각부(200)에 위치하므로 별도의 냉각 장치 없이도 동작 가능한 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초전도 극저온 팽창기의 부분 단면도이다.

도시된 바와 같이, 로터부(100) 단열축(120)의 끝단에 터빈(150)이 장착되어 있으며, 터빈(150)과 상기 터빈(150)과 결합된 일부 단열축(120)은 가스 냉각부(200)에 위치한다.

초전도 베어링(300)은, 상기 터빈(150)과 결합되어 상기 로터부(100)의 회전축(R)을 중심으로 회전하는 초전도 베어링 회전체(310)와 가스 냉각부(200)의 가스 출구(220) 내주면에 고정되어 회전축(R)을 지지하는 초전도 베어링 고정체(320)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며 바람직하게 무접촉식(미도시) 초전도 베어링인 것을 특징으로 한다.

가스 냉각부(200)는 가스 입구의 직경(l1)보다 가스 출구의 직경(l2)이 크므로, 초전도 베어링 고정체(320)가 가스 출구(220)의 내주면에 고정되기에 적합하며, 고정되는 방식에는 제한이 없으나, 초전도 베어링 고정체(320)에 다수의 고정 날개가 형성되어 있어 가스 출구(220)의 내주면에 형성되며 상기 고정 날개에 대응되는 홈과 결합됨으로써 고정되는 등 본 기술 분야에서 사용되는 다양한 고정 방식이 적용될 수 있다.

위와 같이, 초전도 베어링 고정체(320)는 가스 냉각부(200)의 가스 출구(220)에 고정되며, 초전도 베어링 회전체(310)는 터빈(150)과 결합되므로, 로터부(100)가 회전하는 경우 초전도 베어링 회전체(310)가 함께 회전하게 되며, 초전도 베어링 고정체(320)는 가스 냉각부(200)에 고정되어 초전도 베어링 회전체(310)와 접촉하지 않는 상태로 로터부(100)의 회전축(R)을 지지 내지 고정하게 된다.

가스 흐름에 의한 상기 초전도 베어링(300)의 동작 원리를 살펴보면, 고압 가스가 가스 입구(210)로 들어와 고속으로 회전하는 로터부(100)의 터빈(150)에 의해 팽창되어 극저온의 가스가 출구로 나가게 된다.

본 발명에 따른 초전도 극저온 팽창기(20)의 경우, 가스 출구(220)로 극저온의 가스가 나가면서 초전도 베어링(300)을 냉각하게 된다. 이 때, 초전도 베어링(300)이 초전도체 임계온도 이하로 냉각되면서 자기력에 의한 고정력을 가지게 되어 종래 진동에 매우 취약한 로터부(100)의 하단 진동을 저감시킬 수 있게 되는 것이다.

일반적으로 초전도 베어링(300)은 초전도체와, 자장을 형성하는 영구자석 또는 전자석 코일로 구성된다.

본 발명에 따른 초전도 베어링(300) 역시 동일 구성을 요하는데, 상기 초전도 베어링 회전체(310)가 영구자석을 포함하거나 전자석 코일이 권선되어 형성되고, 상기 초전도 베어링 고정체(320)가 초전도체를 포함할 수 있고, 또는 상기 초전도 베어링 회전체(310)가 초전도체를 포함하고, 상기 초전도 베어링 고정체(320)는 영구자석을 포함하거나 전자석 코일이 권선되어 형성될 수 있다.

구체적인 결합 구조를 살펴보면, 터빈(150)은 중앙에 관통홀(400)이 형성되어 있으며, 단열축(120) 및 초전도 베어링 회전체(310)가 상기 관통홀(400)에 삽입되어 형성된다. 즉, 터빈(150) 중앙에 형성된 관통홀(400)을 통해 단열축(120)과 초전도 베어링 회전체(310)가 결합됨으로써 회전축(R)과 회전 운동을 공유하게 되며, 초전도 베어링(300)이 터빈(150) 회전 시 가스가 팽창되어 온도가 극저온으로 하강하는 가스 입구(210)와 가스 출구(220)의 교차 부분에 위치하므로 별도의 초전도 베어링 냉각 장치가 요구되지 않는다.

또한, 상기 단열축(120)과 상기 초전도 베어링 회전체(310)는 상기 관통홀(400) 내에서 일정 거리로 이격(l3)되어 있는 것이 바람직한데, 이를 통해 이질적 재질의 접촉으로 발생될 수 있는 파손이나 저항을 예방하여 장치의 내구성을 증대시킬 수 있다.

이와 같이, 종래 극저온 팽창기는 로터부(100)가 주축(110)의 양 끝단 외주면에 위치하며 회전축(R)을 지지하는 상부 유체 베어링(130)과 하부 유체 베어링(140)을 포함함에 따라 결과적으로 2개의 유체 베어링에 의해 회전축(R)이 지지되나, 본 발명에 따른 초전도 극저온 팽창기(20)는 상기 2개의 유체 베어링(130, 140)과 함께 초전도 베어링(300)이 더 포함됨에 따라 결과적으로 3개의 유체 베어링에 의해 회전축(R)이 지지되며, 상기 초전도 베어링(300)이 가스 냉각부(200)에 위치함에 따라 로터부(100)의 하부 진동을 크게 저감시킬 수 있다.

게다가, 능동제어를 통한 위치 제어가 필수인 일반적인 자기 베어링이 아닌 초전도 베어링(300)을 적용하기에 별도의 능동제어가 요구되지 않아 이에 따른 전력 소모가 없으며, 극저온 팽창기의 내부 극저온 환경에 초전도 베어링(300)을 위치시킴으로써 초전도 베어링 자체를 냉각시키기 위한 별도의 냉각장치나 냉각가스 유로가 필요 없어 냉각기의 효율을 극대화할 수 있다.

상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

R: 회전축 l1: 가스 입구 직경
l2: 가스 출구 직경 l3: 이격 거리
10: 극저온 팽창기 20: 초전도 극저온 팽창기
100: 로터부 110: 주축
120: 단열축 130: 상부 유체 베어링
140: 하부 유체 베어링 150: 터빈
200: 가스 냉각부 210: 가스 입구
220: 가스 출구 300: 초전도 베어링
310: 초전도 베어링 회전체 320: 초전도 베어링 고정체
400: 관통홀

Claims (7)

1. 극저온 팽창기에 있어서,
   중심축을 회전축으로 하여 회전하는 로터부; 및
   상기 로터부에 결합되고, 가스의 유로를 제공하는 가스 입구 및 가스 출구로 이루어지며, 상기 가스 입구로부터 유입된 가스가 냉각되는 가스 냉각부를 포함하며,
   상기 로터부의 끝단에는 회전 날개가 형성되어 회전 시 가스를 팽창시키는 터빈이 장착되고,
   상기 터빈에는 회전축을 일정한 위치에 고정시켜 회전 시 발생되는 진동을 저감시키는 초전도 베어링이 결합되며,
   상기 초전도 베어링은,
   상기 터빈과 결합되어 상기 로터부의 회전축을 중심으로 회전하는 초전도 베어링 회전체; 및
   상기 가스 냉각부의 가스 출구 내주면에 고정되어 회전축을 지지하는 초전도 베어링 고정체를 포함하여 이루어지는 무접촉식 초전도 베어링인 것을 특징으로 하는 초전도 극저온 팽창기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터부는 주축; 및
   상기 주축의 일단에 결합되며 열 전달을 차단하는 단열축을 포함하며,
   상기 단열축의 끝단에 터빈이 장착되는 것을 특징으로 하는 초전도 극저온 팽창기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 초전도 베어링 회전체는 영구자석을 포함하거나 전자석 코일이 권선되어 형성되고,
   상기 초전도 베어링 고정체는 초전도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 초전도 극저온 팽창기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 초전도 베어링 회전체는 초전도체를 포함하고,
   상기 초전도 베어링 고정체는 영구자석을 포함하거나 전자석 코일이 권선되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 극저온 팽창기.
6. 제2항에 있어서,
   상기 터빈은 중앙에 관통홀이 형성되어 있으며,
   상기 단열축 및 상기 초전도 베어링 회전체가 상기 관통홀에 삽입되어 형성되는 것을 특징으로 하는 초전도 극저온 팽창기.
7. 제6항에 있어서,
   상기 단열축과 상기 초전도 베어링 회전체는 상기 관통홀 내에서 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 초전도 극저온 팽창기.
   
   

Images